چرا جهان از ماده ساخته شده است – و این پرسشی بنیادین در فیزیک است

چرا جهان از ماده ساخته شده است – و این پرسشی بنیادین در فیزیک است

۱۴۰۴-۰۵-۲۵
0 نظرات فرشاد واحدی

15 دقیقه

چرا جهان ما ماده دارد — و چرا این موضوع چالشی مهم است

همه چیزهایی که پیرامون ما قابل مشاهده‌اند — از خاک و سنگ‌ها گرفته تا ستارگان و کهکشان‌های دوردست — از ماده تشکیل شده‌اند. با این حال، براساس درک غالب از کیهان اولیه، انتظار می‌رفت مه‌بانگ ماده و پاد ماده را تقریباً به میزان برابر تولید کند. هنگامی که ماده و پاد ماده با یکدیگر برخورد می‌کنند، یکدیگر را نابود کرده و به انرژی تبدیل می‌شوند؛ بنابراین اگر تولید آن‌ها کاملاً متقارن بود، جهان تنها مملو از تابش می‌بود و اثری از اتم‌ها، سیارات یا ناظران باقی نمی‌ماند. با این وجود، چیزی که مشاهده می‌کنیم کاملاً به سود ماده است. این تضاد عمیق میان نظریه و مشاهدات، یکی از مسائل حل‌نشده کلیدی در فیزیک نوین به شمار می‌رود: پادماده به کجا رفته است؟

فیزیکدانان غالباً بر این باورند که پاسخ این معما، در اختلافی بسیار کوچک اما سرنوشت‌ساز در رفتار ماده و پادماده نهفته است — یعنی نقض بعضی تقارن‌های بنیادی که باعث می‌شود تولید یا بقای ماده اندکی محتمل‌تر باشد. در چند دهه گذشته فرایندهایی با نقض تقارن مشاهده شده‌اند، اما هیچیک قدرت لازم برای توضیح این عدم تعادل عظیم را ندارند. امروزه یکی از فرضیه‌های مهم به نوترینو، ذره‌ای زیراتمی و گریزان، به عنوان کلید این معما اشاره دارد.

پادماده چیست و چرا اهمیت دارد؟

پادماده به عنوان نسخه مقابل ماده عادی تعریف می‌شود. برای بسیاری از ذرات این تفاوت ساده است: پادذره همان جرم را دارد اما بار الکتریکی آن خلاف ماده عادی است. پوزیترون، که در دهه ۱۹۳۰ کشف شد، پادذره الکترون است — جرمی برابر اما باری مثبت دارد. برای ذرات بی‌بار، تفاوت‌ها می‌تواند ظریف‌تر باشد؛ برخی از آن‌ها مثل نوترینو پادذره خود هستند، در حالی که برخی دیگر همچون پادنوترون از پادکوارک‌ها ساخته می‌شوند.

پادماده در طبیعت به صورت مقدارهای بسیار اندک ظاهر می‌شود — مثلاً در پرتوهای کیهانی، برخی واپاشی‌های پرتوزا و حتی به صورت گذرا در رعد و برق. بدن انسان به خاطر پتاسیم پرتوزا و مواد غذایی مثل موز، مقدار کمی پوزیترون آزاد می‌کند. در آزمایشگاه‌ها می‌توان پادذرات را با شتاب‌دهنده‌های ذره‌ای تولید کرد، اما ساخت مقدار قابل توجهی از پادماده انرژی زیادی می‌طلبد؛ به همین خاطر ایده‌هایی مانند موتور یا اسلحه پادماده هنوز غیرعملی باقی مانده‌اند.

در صورت برخورد ماده و پادماده، آن‌ها براساس معادله اینشتین یعنی E=mc^2 نابود و به انرژی تبدیل می‌شوند. به علت بازده بسیار بالای این فرایند، اگر پس از مه‌بانگ ماده و پادماده دقیقاً برابر به وجود می‌آمدند، یکدیگر را نابود می‌کردند و جهان بدون ماده باقی می‌ماند. این به آن معناست که در مراحل آغازین، حتماً فرایندهایی اندکی ماده را بر پادماده ترجیح داده‌اند — همین عدم توازن کوچک سرانجام زمینه‌ساز پیدایش ستارگان، کهکشان‌ها و حیات شد.

فراتر از مدل استاندارد: چرا به فیزیک جدید نیاز است؟

مدل استاندارد فیزیک ذرات چارچوبی است که ذرات شناخته‌شده و نیروهای اساسی (به جز گرانش) را با دقت توصیف می‌کند. این مدل سازوکاری با نام نقض CP (بار-پاریته) را برای تفاوت ماده و پادماده در برخی مزون‌ها داراست. اما این اثرهای شناخته شده نقض CP بسیار ضعیف‌تر از حد لازم برای ایجاد برتری ماده در کیهان هستند.

برای توضیح این عدم تعادل، فیزیکدانان به دنبال منابع جدید نقض CP در ورای مدل استاندارد می‌گردند — تعامل‌ها یا ذرات سنگین‌تری که در کیهان داغ و متراکم اولیه حضور داشته و مسیر رخ‌دادها را به سوی ماده کج کرده‌اند. یکی از مسیرهای امیدبخش به نوترینوها ختم می‌شود، ذراتی که حتی مدل استاندارد را با داشتن جرم غیرصفر به چالش کشیده‌اند.

نوترینوها: ذراتی کوچک، بی‌بار و اسرارآمیز

نوترینوها فرمیون‌هایی بی‌بار و با جرم بسیار کم هستند، دست کم یک میلیون بار سبکتر از الکترون. نام آن‌ها به معنای «بی‌بار کوچک» است و ابتدا به صورت بدون جرم در مدل استاندارد تلقی می‌شدند، اما از اواخر دهه ۱۹۹۰ مشخص شد که نوترینوها جرم دارند زیرا تغییر طعم می‌دهند — یعنی در مسیر حرکت میان سه نوع (طعم) مختلف تغییر می‌کنند.

سه طعم معروف نوترینو عبارتند از: نوترینوی الکترون، میون و تائو. نتایج آزمایشگاهی نشان داده نوترینویی که در یک طعم تولید می‌شود، می‌تواند در دیگری ردیابی گردد و این رفتار نشان از تفاوت جزئی جرم‌شان دارد. نوترینوها چنان با ماده عادی ضعیف تعامل می‌کنند که تقریباً ۶۰ میلیارد نوترینوی خورشیدی در هر ثانیه از هر سانتی‌متر مربع زمین عبور می‌کند، بی‌آنکه تقریبا اثری برجا گذارد. ترکیب جرم اندک و برهمکنش ضعیف سبب شده این ذرات هم ردیابی‌شان دشوار باشد، و هم حامل پیام‌هایی قدرتمند از فیزیک ورای مدل استاندارد به شمار روند.

نقض CP در بخش نوترینویی

تقارن CP از ترکیب دو عملیات تشکیل می‌شود: همانی بار (تبدیل ذرات به پادذرات) و پاریته (وارونه‌سازی مختصات فضایی همانند بازتاب آینه‌ای). اگر این تقارن محفوظ بود، ذره و پادذره مانند هم رفتار می‌کردند. مشاهده نقض CP حاکی از تفاوت اساسی در رفتار ماده و پادماده است — تفاوتی که دقیقاً می‌تواند بقای ماده را پس از مه‌بانگ توضیح دهد.

نوسان نوترینویی فرصت بی‌نظیری برای آزمون این تقارن فراهم می‌کند. اگر نوترینوها و پادنوترینوها به شیوه‌ای متفاوت نوسان کنند، نشانه روشنی از نقض CP خواهد بود. برخلاف نقض CP بسیار کوچک ثبت‌شده در مزون‌ها، در برخی مدل‌ها این نقض برای نوترینوها می‌تواند به اندازه کافی بزرگ باشد تا از طریق فرایندی موسوم به لپتوژنر به برتری ماده منجر شود. در این سناریوها، فرایندهای نقض‌کننده CP که نوترینوها (یا حالت‌های شبه‌نوترینوی سنگین‌تر) را درگیر می‌کنند، مازاد لپتون ایجاد می‌کنند و سپس بخشی از این نامتقارنی به نامتقارنی باریونی (برتری پروتون و نوترون بر پادذرات‌شان) تبدیل می‌شود.

آزمایش‌های نسل جدید: DUNE و فراتر از آن

بزرگ‌ترین پروژه‌ای که برای مطالعه خواص نوترینو ساخته شده، آزمایش «نوترینوی عمیق زیرزمینی» (DUNE) است. این مرکز در حال احداث در آمریکا، قرار است پرتوی بسیار قدرتمندی از نوترینوها را در فرمیلب نزدیک شیکاگو تولید کند و آن را از درون زمین به فاصله ۸۰۰ مایلی به سوی آشکارسازهای عظیمی در اعماق آزمایشگاه زیرزمینی سانفورد در داکوتای جنوبی بفرستد. این فاصله زیاد حساسیت به آثار نوسان و تفاوت احتمالی رفتار نوترینو و پادنوترینو را چند برابر می‌کند.

DUNE هدف دارد قوی‌ترین پرتو کنترل‌شده نوترینویی دنیا را به کار گیرد و نوسان نوترینوها را با دقتی بی‌سابقه بسنجد. با مقایسه چگونگی تغییر طعم نوترینو و پادنوترینو در طول ۸۰۰ مایل، این پروژه نقش احتمال نقض CP در بخش نوترینویی و بزرگی آن را بررسی خواهد کرد. طبق برنامه‌های ساخت، انتظار می‌رود نخستین داده‌ها تا پایان دهه جاری جمع‌آوری شوند و حساسیت کامل آزمایش پس از آن حاصل گردد.

سایر پروژه‌های بلندمسیر همچون T2K و آشکارساز در حال برنامه‌ریزی Hyper-Kamiokande در ژاپن نیز به دنبال ثبت نشانه‌های نقض CP در نوترینوها هستند. در مجموع، داده‌های حاصل از چندین آزمایش مختلف، دامنه مجاز زاویه‌های نقض‌کننده CP را محدود نموده و امکان تعیین نقش نوترینو به عنوان حلقه مفقوده پیدایش برتری باریونی را فراهم خواهند کرد.

نوترینوهای سنگین، شرکای راست‌دست و لپتوژنر

گسترش قابل توجه مدل استاندارد فرض می‌کند در کنار نوترینوهای سبک چپ‌دستی، نوعی نوترینوی سنگین راست‌دستی نیز وجود دارد. در فیزیک ذرات خاصیت «دست‌سانی» (کایرالیته) توصیف‌کننده جهت‌گیری اسپین ذره نسبت به حرکتش است. مدل استاندارد فقط نوترینوهای چپ‌دست را شامل می‌شود؛ اگر نوترینوهای راست‌دست وجود داشته باشند، از لحاظ عملی نسبت به تمام نیروهای مدل استاندارد «استریل» هستند و می‌توانند جرمی بسیار بزرگ داشته باشند.

اگر نوترینوهای سنگین راست‌دست مدت کوتاهی پس از مه‌بانگ وجود داشتند، می‌توانستند به شیوه‌ای نابالق CP واپاشی کنند، مازاد لپتون تولید کرده و سپس این فزونی توسط واکنش‌های مدل استاندارد به عدم تعادل باریونی (برتری تعداد پروتون و نوترون نسبت به پادذراتشان) تبدیل شود. محاسبات نشان می‌دهد که نوترینوهای راست‌دست با جرم‌هایی بسیار بیش از پروتون می‌توانند فرایند لپتوژنر را به گونه‌ای موثر برانگیزند و توجیهی طبیعی برای سلطه ماده در کیهان فراهم نمایند.

یافتن شواهد مستقیم برای چنین نوترینوهای سنگین در آزمایش‌های کنونی بسیار دشوار است؛ با این حال، نشانه‌های غیرمستقیم مانند نقض CP بزرگ در نوترینوهای سبک یا کشف اینکه نوترینوها ذرات مایورانا (یکسان با پادذره خود) هستند، مؤید سناریوهای لپتوژنر خواهد بود.

واپاشی دوتایی بدون نوترینو: آزمونی حیاتی

یکی از مؤثرترین راه‌های شناسایی ماهیت نوترینو، جستجوی نشانه‌های واپاشی دوتایی بدون نوترینو است. در واپاشی دوتایی عادی، دو نوترون داخل یک هسته به دو پروتون تبدیل شده و دو الکترون و دو پادنوترینو آزاد می‌شود. اگر نوترینوها مایورانا باشند — یعنی همان پادذره خود باشند — دو پادنوترینوی تولیدشده می‌توانند همدیگر را نابود سازند و در نتیجه واپاشی هسته‌ای فقط دو الکترون پرانرژی ایجاد کند: همان واپاشی دوتایی بدون نوترینو.

شناسایی این رویداد ثابت خواهد کرد که عدد لپتونی دقیقاً پایدار نیست و نشانه قوی برای مایورانا بودن نوترینوها خواهد بود — و بدین ترتیب نظریه‌های لپتوژنر را که نوترینوها را عامل عدم تقارن ماده–پادماده می‌دانند، تقویت می‌کند. در سراسر جهان آزمایش‌های مختلفی با روش‌ها و ایزوتوپ‌های گوناگون در پی یافتن این امضا هستند. از جمله:

برترین آزمایش‌های واپاشی دوتایی بدون نوترینو

  • KamLAND-Zen (ژاپن): آشکارساز مبتنی بر مایع فسفر، از زنون حل‌شده برای جستجوی الکترون‌های پرانرژی استفاده می‌کند.
  • nEXO (کانادا/آمریکا): طرح مرحله بعدی آشکارساز زنون مایع، که حساسیت آن به شکل چشمگیری بیش از نمونه‌های قبلی خواهد بود.
  • NEXT (آزمایشگاه زیرزمینی کانفرانک، اسپانیا): آشکارساز گاز زنون در فشار بالا با تمرکز بر بهترین تفکیک انرژی جهت جداسازی سیگنال از زمینه.
  • LEGEND (گران ساسو، ایتالیا): دستگاه با دقت بالا که از بلور ژرمانیم با ایزوتوپ ^76Ge بهره می‌برد تا پس‌زمینه کمینه و اندازه‌گیری دقیقی به دست دهد.

با وجود تفاوت‌های تکنیکی، هدف مشترک همه این پروژه‌ها شناسایی انرژی دو الکترون بدون حضور نوترینو است. اگرچه تا به امروز این واپاشی مشاهده نشده است، اما پیشرفت‌های تازه در اندازه آشکارساز، محافظت در برابر زمینه و فناوری‌های نوین، دامنه حساسیت را به محدوده فرضیه‌های مطلوب نظری نزدیک‌تر می‌کند.

نتایج اخیر نقض CP و جستجو برای اثر بزرگ‌تر

نقض CP پیش‌تر در مزون‌ها و اخیراً در برخی واپاشی‌های باریون در برخورددهنده بزرگ هادرونی دیده شده، اما این آثار بسیار کوچک‌تر از نیاز جهان برای برتری ماده هستند. اگر مشخص شود نقض CP در نوترینوها بزرگ است، احتمالاً همان عامل مفقود است. آزمایش‌هایی چون DUNE و Hyper-Kamiokande به‌طور ویژه برای اندازه‌گیری دقیق زاویه نقض CP در ماتریس اختلاط نوترینوها طراحی شده‌اند تا نقش نوترینو محور لپتوژنر را ثابت یا رد کنند.

کشف قطعی نقض CP در نوترینوها به تنهائی کافی نیست تا مکانیزم نهایی پیدایش عدم تقارن کیهانی را قطعی کند، اما نشانه‌ای تعیین‌کننده‌ی در اختیار خواهد گذاشت؛ نشان می‌دهد طبیعت نوترینو و پادنوترینو را یکسان نمی‌نگرد و مدل استاندارد کامل نیست. اگر به همراه آن سیگنال مثبت واپاشی دوتایی بدون نوترینو یا قرائن غیرمستقیم نوترینوهای سنگین نیز بیابیم، داستانی یکپارچه پدید می‌آید که نقش محوری نوترینوها در شکل‌دهی جهان ماده‌ای ما را تأیید می‌کند.

دیدگاه متخصص

دکتر مایا فرناندز، فیزیکدان خیالی نوترینو و مروج علم می‌گوید: «نوترینوها نجواکنندگان کیهان‌اند. گیرایی‌شان دشوار است اما اطلاعاتی درباره فیزیک در انرژی‌هایی حمل می‌کنند که به هیچ روش دیگری دست‌یافتنی نیست. اگر بتوانیم نقض CP در نوترینوها را بسنجیم و دریابیم که آن‌ها ذرات مایورانا هستند، دو مسیر مستقل خواهیم داشت که نوترینوها را به منشأ ماده پیوند می‌دهد. هر محدودیت آزمایشی تازه دایره مدل‌ها را تنگ‌تر و ما را یک گام به تصویر روشن‌تر از چرایی وجود جهان نزدیک‌تر می‌کند.»

چنین تاملی تصویری است از صبر و ارزش بالای پژوهش نوترینویی: آزمایش‌ها سال‌ها و سرمایه گزافی می‌طلبند اما حاصل‌شان می‌تواند پاسخ یکی از بزرگ‌ترین نامتقارنی‌های طبیعت باشد.

فناوری‌ها، چالش‌ها و چشم‌انداز آینده

مطالعه نوترینوها به آشکارسازهای عظیم، پس‌زمینه‌زدایی دقیق و پرتوهای نوترینوی پرانرژی نیاز دارد. آزمایش‌های نوسان نوترینویی بلندمسیر بر تولید دقیق و کنترل‌شده پرتو نوترینو و مقایسه‌های ظریف میان آشکارساز نزدیک و دور متکی هستند. جستجو برای واپاشی دوتایی بدون نوترینو نیز بر زمینه‌زدایی پرتوزا و افزایش چشمگیر وضوح انرژی متمرکز است.

پیشرفت در مواد آشکارساز، فناوری‌های سرما، سازه‌های با پرتوزایی پایین و محاسبات برای بازسازی رویداد، نقش کلیدی دارند. همکاری‌های بین‌المللی رکن دیگرند؛ پروژه‌های بزرگ نوترینو با تخصص و سرمایه‌گذاری مشترک کشورها و راهبردهای هماهنگ، کلیدی برای پوشش کامل دامنه پارامترها هستند.

در دهه پیش رو، DUNE و Hyper-Kamiokande آماده بازتعریف دانش ما درباره نوترینوها هستند. آزمایش‌های نسل بعدی همانند nEXO یا آشکارسازهای مقیاس‌ بزرگ زنون یا ژرمانیم، می‌توانند واپاشی دوتایی بدون نوترینو را تا جرم مؤثر نوترینو در محدوده بسیاری از مدل‌ها جستجو کنند. اگر هیچ سیگنالی آشکار نشود، بسیاری از سناریوهای لپتوژنر اعتبارشان را از دست داده و پژوهشگران به بررسی سازوکارهای جایگزین برای تولید ماده کیهانی ترغیب خواهند شد.

پیامدها برای کیهان‌شناسی و فیزیک بنیادی

حل چالش عدم تقارن ماده–پادماده درک ما از اوایل کیهان و کامل بودن مدل استاندارد را زیر و رو خواهد کرد. راه‌حل مبتنی بر نوترینو پیوندی میان فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی برقرار خواهد نمود و نشان می‌دهد چگونه ویژگی‌های کوانتومی ذرات ریز ساختار کلان جهان را شکل داده‌اند. چنین کشفی زمینه‌های متعددی از نظریه انرژی بالا تا اخترفیزیک را تحت تاثیر قرار داده و به کاوش‌های تازه‌ای در زمینه ماده تاریک، فیزیک دوره تورم یا تعاملات فراتر از مدل استاندارد خواهد انجامید.

در مقابل، اگر نوترینوها از عهده توضیح این معما برنیایند، این نتیجه هم ارزشمند خواهد بود، چرا که گروهی از مدل‌های مهم را کنار می‌گذارد و تمرکز پژوهش بر مکانیزم‌های جایگزین مانند باریوژنز در مقیاس الکتروضعیف، میدان‌های اسکالر جدید یا تعاملات ناشناخته را شدت خواهد بخشید.

جمع‌بندی

پرسش فقدان پادماده در جهان همچنان یکی از جذاب‌ترین چالش‌های علمی است. نوترینوها — ذرات بی‌بار و کوچک که تقریباً هیچ تعاملی با ماده عادی ندارند — مسیر امیدبخشی به سوی پاسخ فراهم می‌کنند. با آزمون تقارن CP در نوسان نوترینوها، جستجوی واپاشی دوتایی بدون نوترینو و بررسی احتمال وجود نوترینوهای سنگین راست‌دست، برنامه‌های آزمایشگاهی جهانی تلاش دارند تعیین کنند آیا نوترینوها در برتری ماده کیهانی نقش تعیین‌کننده داشته‌اند یا خیر. دهه آینده، با پروژه‌هایی چون DUNE، Hyper-Kamiokande و چندین جستجو در واپاشی دوتایی بدون نوترینو، داده‌های سرنوشت‌سازی فراهم خواهد کرد. چه نوترینوها راز کیهان را بگشایند و چه سرنخ را به سمت فیزیک جدید هدایت کنند، نتیجه بی‌شک درک ما از جهان، سرگذشت پیدایش ماده و چگونگی ظهور ناظران را غنی‌تر خواهد ساخت.

منبع: arstechnica

به دنیای علم خوش اومدی! من فرشاد هستم، کنجکاو برای کشف رازهای جهان و نویسنده مقالات علمی برای آدم‌های کنجکاو مثل خودت!

نظرات

ارسال نظر

مطالب مرتبط